Техника - молодёжи 1986-03, страница 59

«МУСКУЛЫ» ДЛЯ РОБОТА

Александр ЛИТВИНЕНКО,

кандидат технических наук, г. Воронеж

Знаете ли вы, как работают мышцы? Наверняка нет, хотя пользуетесь ими ежеминутно. Но не огорчайтесь. Разгадать секрет строения и принцип действия этого удивительного создания природы еще никому до конца не удалось. И все потому, что строение белкового механизма мышцы чрезвычайно сложно. Но кое-что все-таки известно.

Проведем небольшую «экскурсию» в недра мышечной клетки. Что же мы в ней увидим? Первое — это продольные белковые нити. Их два вида — толстые (миозин) и тонкие, или активные (актин). Причем вокруг одной толстой располагаются параллельно шесть тонких. Второе — это поперечные диски. К ним прикреплены концы активных нитей. При работе мышцы они вдвигаются в миозин. В результате диски сближаются или расходятся.

Участки нитей, последовательно соединенные дисками, вытягиваются в тонкое волокно диаметром 1—2 мкм. От 1000 до 2000 таких волокон, сгруппированных параллельно, образуют своеобразные пучки диаметром 20—80 мкм Из них-то и состоит поперечно-полосатая скелетная мышца. Та самая, которая приводит в движение наши суставы.

В разрезе мышца ,рчень напоминает многожильный кабель с множеством проводников, покрытых изоляцией. В ней волокна — подобие проводников. А роль изоляции играет мембрана.

Есть еще в клетке множество митохондрий — биологических «энергетических станций». В них протекают окислительно-восстановительные реакции. Кроме того, они участвуют в процессах синтеза белка. Митохондрия — один из важнейших элементов не только мышечных, но и всех других клеток. Однако не будем утомлять читателей дальнейшей детализацией.

Возникает вопрос: что *ке происходит при мышечном сокращении? Скажем прямо, молекулярная теория этого процесса до сих пор не построена. Лауреат Нобелевской премии, английский физиолог

К 4-й стр. обложки

А. Хаксли предложил модель, которая предполагает скольжение акти-новых и миозиновых волокон при мышечном сокращении. Однако есть и другие точки зрения. Тем более что полного экспериментального подтверждения теории А. Хаксли нет до сих пор. Некоторые ученые, например, считают, что сокращения связаны с электростатическими эффектами в мышечных белках. Одна из таких гипотез высказана академиком А. А. Микули-ным (см. «ТМ» № 11 за 1975 год). Но и расчеты, проведенные согласно этой модели, не подтвердились экспериментально. Кроме того, она не объясняет причину столь сложной структуры мышечной клетки. Ведь электростатический двигатель в простейшем варианте включает в себя лишь конденсатор с обкладками. Здесь же очень сложный «механизм», состоящий из совокупности актиновых и миозиновых нитей, дисков, управляющей системы и других элементов. Их роль в данном случае непонятна.

Но зачем надо знать, как работает мышца? А дело в том, что по удельным силовым и мощностным (на единицу массы) показателям, по точности позицирования и эффекту демпфирования нежелательных механических колебаний в процессе манипулирования живые системы превосходят современные гидро-, пневмо- и электромеханические приводы роботов, управляемых ЭВМ. Лишь в одном мышцы уступают: им нужен периодический отдых для восстановления сил. Так что если удастся объединить удельные мощностные, массогаба-ритные и точностные показатели мышц с «неустанностью» механизмов, лучшие приводы для роботов трудно придумать.

Что же все-таки происходит при сокращении живой двигательной системы? Как она действует? Обратимся к достоверным фактам. Уже точно установлено, что актиновые и миозиновые белковые нити имеют форму протяженных двойных спиралей с ядром. На их внешних поверхностях размещены еще вы

ступы — тропонины. Теперь окончательно «нарисуем портрет» одного из элементов мышечного волокна, например тонкой нити. Вокруг ядра-актина закручиваются две другие белковые молекулы-тропо-миозины, на которых «навешены» выступы-тропонины.

Известно также, что в актйне и миозине «блуждают» ионы кальция, а в мембранах — ионы натрия и калия. Этот факт дает основание утверждать, что в клетках есть биоток. Теперь попробуем построить молекулярную модель мышечного движения. Назовем ее электродинамической. Предположим, что ядро-актин имеет свойство изолятора, а окружающие его спиральные нити — проводники Они должны контактировать с «вводом»-тропо-нином. Разумеется, аналогичными качествами обладают и составляющие элементы миозина.

Двойные спирали образуют цепочки замкнутых петлеобразных контуров — своеобразный электродинамический двигатель. Питание он получает через вводы и мембранные каналы-«выключатели» от мембран и митохондрий Подачу энергии в клетки регулируют нервные волокна, связанные с «центром управления» — мозгом. А ядро, являясь изолятором, предохраняет ветви двойной спирали от возможного «короткого замыкания».

Если исходить из такой эквивалентной схемы, то источник энергии — в данном случае внутренний слой мембраны — должен быть подобен последовательной электрической батарее, иными словами, вольтовому столбу, каждый элемент которого имеет возможность подключаться к вводам.

Действительно, в белках строение мембраны именно такое. А участки тонких и толстых волокон можно рассматривать как систему двух спиральных микроконтуров, ввинчивающихся друг в друга. Токи в каждом из попарно расположенных замкнутых контуров направлены в одну сторону. Электродинамические силы, возникающие в ^результате взаимодействия параллельных токов, энергично стремятся ввинтить спирали, имеющие пространственную структуру, одну в другую. В результате впадины толстых нитей проходят между выступами тонких и наоборот. Ввинчивание прекращается при достижении миозиновыми и актиновыми волокнами крайнего положения.

Для того чтобы началось выдви

56